Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Инструментальные материалы - файл 1.doc


Инструментальные материалы
скачать (408 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc408kb.17.11.2011 17:09скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

1   2
Реклама MarketGid:
Загрузка...

Р

(синий)

Стали:

Углеродистые
легированные

высоколегированные и инструментальные
Стальное литье


08кп, 10, А12, Ст3, Ст45, А40Г, 60, У7А

20Х, 12ХН13А, 38Х2Н2МА, ШХ15ГС

7ХФ, 9ХС, ХВГ, Р6М5
20Л, У8Л, 35ХГСЛ, 5Х14НДЛ, Г13

М

(Желтый)

Нержавеющие стали

Титановые сплавы

Жаропрочные

12Х13, 12Х18Н10Т, 11Х11Н2В2МФ

ВТ1-00, ВТ5, ВТ14

ХН32Т, ХН67ВТМЮЛ

К

(Красный

Чугуны

Цветные металлы

Материалы

с высокой поверхностной твердостью

СЧ10, СЧ45, ВЧ35, ВЧ100, КЧ37-12, КЧ50-5

АМГ2, Д16,АЛ3, ЛС63-1, Л96, ЛО70-1, М00к

Закаленная сталь HRC 45-60, ЧХ16


Каждая группа применения делится на подгруппы, причем с увеличением индекса подгруппы от 01 до 40 (50), условия обработки становятся более жесткими, начиная от чистового резания и заканчивая черновым с ударами. Такое рассмотрение удобно для подбора рекомендуемых марок твердых сплавов по свойствам. Чем больше индекс подгруппы применения, тем ниже требуется износостойкость твердого сплава и допустимая скорость резания, но выше прочность (ударная вязкость) и допустимая подача и глубина резания (табл. 2.8).

Таблица 2.8 Подгруппы применения твердых сплавов


Обозна-чение

Обрабатываемый материал.

Тип снимаемой стружки

Вид обработки. Условия применения

Группа резания Р

Р01

Сталь. Сливная стружка

Чистовое точение, растачивание, развертывание (высокие точность обработки и качество поверхности изделия)

Р10

Сталь. Сливная стружка

Точение, в том числе по копиру, нарезание резьбы, фрезерование, рассверливание, растачивание

Р20

Сталь, ковкий чугун и цветные металлы. Сливная стружка

Точение, в том числе по копиру, фрезерование, чистовое строгание

Р25

Сталь нелегированная, низко и среднелегированная

Фрезерование, в том числе глубоких пазов, другие виды обработки, при которых у сплава должно быть высокое сопротивление тепловым и механическим нагрузкам

Р30

Сталь, ковкий чугун. Сливная стружка

Черновое точение, фрезерование, строгание. работа в неблагоприятных условиях*

Р40

Сталь с включениями песка и раковинами. Сливная стружка и стружка надлома

Черновое точение, строгание. работа в особо неблагоприятных условиях*




Продолжение таблицы 2.8




Р50

Сталь со средней или низкой прочностью, с включениями песка и раковинами. Сливная стружка и стружка надлома

Точение, строгание, долбление при особо высоких требованиях к прочности твердого сплава в связи с неблагоприятными условиями резания*. Для инструмента сложной формы

Группа резания М

М10

Сталь, в том числе аустенитная, жаропрочная, труднообрабатываемая, сплавы, серый, ковкий и легированный чугуны. Сливная стружка и стружка надлома

Точение, фрезерование

М20

Сталь, в том числе жаропрочная труднообрабатываемая, сплавы, серый и ковкий чугуны. Сливная стружка и стружка надлома

Точение, фрезерование

М30

Аустенитная сталь, жаропрочные труднообрабатываемые стали и сплавы, серый и ковкий чугуны. Сливная стружка и стружка надлома

Точение, фрезерование, строгание, работа в неблагоприятных условиях




Продолжение таблицы 2.8




М40

Низкоуглеродистая сталь с низкой прочностью, автоматная сталь и другие металлы и сплавы. Сливная стружка и стружка надлома

Точение, фасонное точение, отрезка преимущественно на станках-автоматах

Группа резания К

К01

Серый чугун, преимущественно высокой твердости, алюминиевые сплавы с большим содержанием кремния, закаленная сталь, абразивные пластмассы, керамика, стекло. Стружка надлома

Чистовое точение, растачивание, фрезерование, шабрение

К05

Легированные чугуны, закаленные стали, коррозионно-стойкие, высокопрочные и жаропрочные стали и сплавы. Стружка надлома

Чистовое и получистовое точение, растачивание, развертывание, нарезание резьбы

К10

серый и ковкий чугуны преимущественно повышенной твердости, закаленная сталь, алюминиевые и медные сплавы, пластмассы, стекло, керамика. Стружка надлома

Точение, растачивание, фрезерование, сверление, шабрение

К20

Серый чугун, цветные металлы, абразивная прессованная древесина, пластмассы. Стружка надлома

Точение, фрезерование, строгание, сверление, растачивание




Продолжение таблицы 2.8




К30

Серый чугун низкой твердости и прочности, сталь низкой прочности, древесина, цветные металлы, пластмасса, плотная древесина. Стружка надлома

Точение, фрезерование, строгание, сверление, работа в неблагоприятных условиях*. Допустимы большие передние углы заточки инструмента

К40

Цветные металлы, древесина, пластмассы. Стружка надлома

Точение, фрезерование, строгание. Допустимы большие передние углы заточки инструмента


* Работа с переменной глубиной резания, с прерывистой подачей, с ударами, вибрациями, с наличием литейной корки и абразивных включений в обрабатываемом материале

Таким образом, малые индексы соответствуют чистовым операциям, когда от твердых сплавов требуется высокая износостойкость и теплостойкость, а большие индексы соответствуют черновым операциям, т.е. когда твердый сплав должен обладать высокой прочностью. В связи с этим каждая марка имеет свою предпочтительную область применения, в которой она обеспечивает максимальные работоспособность сплава и производительность обработки.

Скорость резания, непрерывность обработки, жесткость системы СПИД, способ получения заготовки (состояние обрабатываемой поверхности) позволяет определить условие обработки и сформулировать требования к основным свойствам твердого сплава. Условия обработки могут быть хорошие, нормальные и тяжелые.

ХОРОШИЕ – Высокие скорости. Непрерывное резание. Предварительно обработанные заготовки. Высокая жесткость технологической системы СПИД .

^ Требования к твердому сплаву – высокая износостойкость.
НОРМАЛЬНЫЕ – Умеренные скорости резания. Контурное точение. поковки и отливки. Достаточно жесткая система СПИД.

^ Требования к твердому сплаву – хорошая прочность в сочетании с достаточно высокой износостойкостью.
ТЯЖЕЛЫЕ – Невысокие скорости. Прерывистое резание. Толстая корка на литье или поковках. Нежесткая система СПИД.

^ Требования к твердому сплаву – высокая прочность.

Кроме подгрупп применения необходимо знать тип обработки (чистовая, получистовая, легкая и черновая), который позволяет ориентироваться в величинах глубины резания (t, мм) и подачи (S0, мм/об). Тип обработки приведен в табл. 2.9.
Таблица 2.9 Тип обработки


Параметры режима резания

Тип обработки

Чистовая

Получистовая

Легкая черновая

Черновая

Глубина t, мм

0,25-2,0

0,5-3,0

2,0-6,0

5,0-10,0

Подача S0, мм/об

0,05-0,15

0,1-0,3

0,2-0,5

0,4-1,8


Область применения твердых сплавов можно представить сводной таблицей 2.10.
Таблица 2.10 Определение области применения твердого сплава


Условия обработки

ISO

Тип обработки

Чистовая

Получистовая

Легкая черновая

Черновая

Хорошие

Р

Р01-Р10

Р10-Р25

Р25-Р30

Р30-Р35

М

М10-М15

М15-М20

М20-М25

М25-М30

К

К01-К05

К05-К10

К10-К15

К15-К20

Нормаль

ные

Р

Р10-Р25

Р25-Р30

Р30-Р40

Р40-Р50

М

М15-М20

М20-М25

М25-М30

М30-М35

К

К05-К10

К10-К15

К15-К20

К20-К25

Тяжелые

Р

Р30-Р35

Р35-Р40

Р40-Р45

Р45-Р50

М

М20-М25

М25-М30

М30-М35

М35-М40

К

К10-К15

К15-К20

К20-К25

К25-К30


Из табл. 2.10 видно, что область использования марки твердого сплава будет зависеть от обрабатываемого материала, условий и типа обработки. Области рационального применения твердых сплавов отечественного производства приведены в табл. 2.11.
Таблица 2.11 Области применения твердых сплавов


Марка сплава ГОСТ 3882-74 (ТУ 48-19-307-87)

Область применения

Основная группа

Подгруппа

Т30К4

Т15К6, МС111

Т14К8, МС121

ТТ20К9, ТТ21К9, МС137

Т5К10, ТТ10К8-Б, МС131

Т5К12, ТТ7К12, МС146

ТТ7К12

Р

Р01

Р10

Р20

Р25

Р30

Р40

Р50

ВК60М, МС313

ВК6М, ТТ8К6, МС211

ТТ10К8-Б, МС221, МС321

ВК10-М, ВК10-ОМ, ВК8

ВК10-ОМ, ТТ7К12, ВК15-ОМ

ВК15-ХОМ, МС241, МС146

М

М05

М10

М20

М30

М40

ВК3, ВК3-М, МС301

ВК6-ОМ, ВК6-М, МС306

ТТ8К6, ВК6-М

МС312, МС313

ВК4, ВК6, Т8К7, МС318, МС321

ВК4, ВК8

ВК8, ВК15, МС347

К

К01

К05

К10

К20
К30

К40

Примечание. Износостойкость сплавов возрастает снизу вверх, прочность – наоборот.
Твердые сплавы серии МС выпускаются на Московском комбинате твердых сплавов (МКТО) по технологии фирмы «Sandik Coromant».

Используя рекомендации табл. 2.11 можно быстро и эффективно подобрать марку твердого сплава для резания любого обрабатываемого материала в конкретных условиях.
^ 2.4 Режущая керамика
Промышленность выпускает четыре группы режущей керамики: оксидную (белая керамика) на основе Al2O3, оксикарбидную (черная керамика) на основе композиции Al2O3-TiC, оксиднонитридную (кортинит) на основе Al2O3-TiN и нитридную керамику на основе Si3N4.

Основной особенность режущей керамики является отсутствие связующей фазы, что значительно снижает степень ее разупрочнения при нагреве в процессе изнашивания, повышает пластическую прочность, что и предопределяет возможность применения высоких скоростей резания, намного превосходящих скорости резания инструментом из твердого сплава. Если предельный уровень скоростей резания для твердосплавного инструмента при точении сталей с тонкими срезами и малыми критериями затупления составляет 500-600 м/мин, то для инструмента, оснащенного режущей керамикой, этот уровень увеличивается до 900-1000 м/мин.

Составы основных типов режущей керамики и некоторые физико-механические свойства представлены в табл. 2.12.
Таблица 2.12 Состав, свойства и области применения керамики


Марки керамики


Состав

и,, Гпа

,

г/см3

HRA,

не менее

Область приме-

нения

О к с и д н а я

ЦМ332

Al2O3 – 99%

MgO – 1%

0,3-0,35

3,85-3,90

91

К01-К05

ВО-13

Al2O3 – 99%

0,45-0,5

3,92-3,95

92

Р01-Р10,

К01-К05

ВШ-75

Al2O3

0,25-0,3

3,98

91-92

К01-К05

О к с и к а р б и д -

н а я

В-3

Al2O3 – 60%

TiC – 40%

0,6

4,2

94

Р01-Р10

ВОК-63

Al2O3 – 60%

TiC – 40%

0,65-0,7

4,2-4,6

94

Р01-Р05

К01-К05

ВОК-71

Al2O3 – 60%

TiC – 40%

0,7-0,75

4,5-4,6

94

Р01-Р05

К01-К05

О к с и н и т -

р и д н а я

ОНТ-20

(корти

нит)

Al2O3  60%

TiN – 30%

0,64

4,3

90-92

К01-К05

н и т р и д -

н а я

РК-30

(сили

нит-Р)

Si3N4, Y2O3, TiC

0,7-0,8

3,2-3,4

94

К10-К20



Недостаток оксидной керамики – ее относительно высокая чувствительность к резким температурным колебаниям (тепловым ударам). Поэтому охлаждение при резании керамикой не применяют.

Указанное является главной причиной микро- или макровыкрашиваний режущей керамики и контактных площадок инструмента уже на стадиях приработочного или начального этапа установившегося изнашивания, приводящего к отказам из-за хрупкого разрушения инструмента. Отмеченный механизм изнашивания керамического режущего инструмента является превалирующим.

В последние годы появились новые марки оксидной керамики в состав которых введены окись циркония (ZrO2) и армирование ее «нитевидными» кристаллами карбида кремния (SiC). Армированная керамика имеет высокую твердость (HRCА-92) и повышенную прочность (изг до 1000 МПа).

Параллельно с совершенствованием керамических материалов на основе оксида алюминия созданы новые марки режущей керамики на основе нитрида кремния (силинит-Р). Такой керамический материал имеет высокую прочность на изгиб (изг=800 МПа), низкий коэффициент термического расширения, что выгодно отличает его от оксидных керамических материалов. Это позволяет с успехом использовать нитридокремниевый инструмент при черновом точении, получистовом фрезеровании чугуна, а также чистовом точении сложнолегированных и термообработанных (до HRC 60) сталей и сплавов.

Режущую керамику выпускают в виде неперетачиваемых сменных пластин. Пластины изготавливают с отрицательными фасками по периметру с двух сторон. размер фаски f=0,2…0,8мм, угол ее наклона отрицательный от 10 до 30. Фаска необходима для упрочнения режущей кромки.

Допустимый износ керамических пластин намного меньше износа твердосплавных пластин. Максимальный износ по задней поверхности не должен превышать 0,3…0,5мм, а при чистовых операциях 0,25…0,30мм.

При назначении режимов резания для керамики имеются рекомендации:

1. Предпочтительна квадратная форма пластины с максимально возможным углом заострения и наибольшим радиусом при вершине пластины rb.

2. Ширину фаски f выбирают в зависимости от твердости обрабатываемого материала, чем тверже обрабатываемый материал, тем ширина фаски больше.

3. Скорость резания нужно назначать максимально допустимой исходя из жесткости системы СПИД и характеристик оборудования.

4. Заготовки, обрабатываемые пластинами из режущей керамики, должны иметь на входе и выходе резца фаски, ширина которых превышает припуски на обработку, а также канавки в местах перехода от цилиндрической поверхности к торцевой.

В настоящее время керамической инструмент рекомендуют для чистовой обработки серых, ковких, высокопрочных и отбеленных чугунов, низко- и высоколегированных сталей, в том числе улучшенных, термообработанных (HRC до 55-60), цветных сплавов, конструкционных полимерных материалов (К01-К05, Р01-Р05). В указанных условиях инструмент оснащенный пластинами из режущей керамики, заметно превосходит по работоспособности твердосплавный инструмент.

Применение керамического инструмента при обработке с повышенными значениями сечений среза (txS), при прерывистом резании резко снижает его эффективность вследствие высокой вероятности внезапного отказа из-за хрупкого разрушения режущей части инструмента. Во многом это объясняет сравнительно низкий объем используемого в промышленности Украины керамического инструмента (до 0,5% от общего объема режущего инструмента), для развитых стран Запада этот объем составляет от 2 до 5%.
^ 2.5 Сверхтвердые синтетические поликристаллические инструментальные материалы
Сверхтвердыми принято считать материалы, имеющие микротвердость, выше микротвердости природного корунда (Al2O3) (т.е. твердость по Виккерсу более 20 ГПа). Материалы, твердость которых выше, чем металлов (т.е. 5-20 ГПа) можно рассматривать как высокотвердые. Из природных материалов к сверхтвердым относится только алмаз. В 2000 году в ИСМ АН Украины прямым превращением графитоподобного твердого раствора BN-C при давлении 25 ГПа и температуре 2100К была получена новая сверхтвердая фаза, кубический карбонитрид бора (BC2N), получившим обозначение КАНБ. Твердость и модуль упругости КАНБ является промежуточным между алмазом и кубическим нитридом бора, что делает его вторым по твердости материалом после алмаза, и открывает новые перспективы.
^ 2.5.1 Особенности получения инструментальных материалов на основе алмаза и кубического нитрида бора
Инструментальная промышленность выпускает синтетические сверхтвердые материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора (КНБ).

Природный алмаз – самый твердый материал на Земле, который издавна применяется в качестве режущего инструмента. Принципиальное отличие монокристаллического природного алмаза от всех других инструментальных материалов, имеющих поликристаллическое строение, с точки зрения инструментальщика состоит в возможности получения практически идеально острой и прямолинейной режущей кромки. Поэтому в конце XX века с развитием электроники, прецизионного машиностроения и приборостроения применение резцов из природных алмазов для микроточения зеркально чистых поверхностей оптических деталей, дисков памяти, барабанов копировальной техники и т.п. возрастает. Однако из-за дороговизны и хрупкости природные алмазы не применяются в общем машиностроении, где требования к качеству обработки деталей не столь высоки.

Потребность в сверхтвердых материалах привела к тому, что в 1953-1957 годах в Швеции (фирма ASEA) и США («Дженерал электрик») и в 1959 году в СССР (Институт физики высоких давлений) методом каталитического синтеза, при высоких статических давлениях, из гексагональных фаз графита (С) и нитрида бора (BN), были получены мелкие частицы кубических фаз синтетического алмаза и нитрида бора.

Теория синтеза алмаза впервые была предложена О.И.Лейпунским (1939г.), который на основе экспериментальных данных об обратном переходе алмаза в графит, сформулировал условие перехода графита в алмаз и рассчитал кривую равновесия графит – алмаз при высоких давлениях. Синтез алмаза из графита при высоких давлениях (более 4,0 ГПа) и температурах (свыше 1400К) осуществляется в присутствии металлических растворителей углерода (Ni, Fe, Co и др.).

Кубический нитрид бора (КНБ) сверхтвердый материал не имеющий природного аналога. Впервые кубический нитрид бора был синтезирован в 1956 году (фирмой «Дженерал Электрик») при высоких давлениях (свыше 4,0 ГПа) и высокой температуре (свыше 1473К) из гексагонального нитрида бора в присутствии щелочных и щелочноземельных металлов (свинец, сурьма, олово и др.). Кубический нитрид бора, выпускаемый фирмой «Дженерал Электрик» был назван Боразоном.

Синтетические монокристаллы алмаза и КНБ, полученные искусственным путем имеют очень малые размеры, поэтому для использования в качестве инструментального материала их соединяют (сращивают) в поликристаллы.

Поликристаллические композиционные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора появились на рубеже 60-70 годов. Характерной особенностью таких материалов является наличие жесткого каркаса из сросшихся зерен алмаза или КНБ. Спекание порошков алмаза и КНБ, как правило, осуществляется в области термодинамической стабильности алмаза и КНБ при давлении 5…9 ГПа и температурах 1500…2000К. Обычно спекание поликристаллических композиционных материалов осуществляют в присутствии активирующих процесс спекания добавок, для алмазных порошков – кобальт или кремний, а для порошков КНБ – алюминий (рис. 2.4). Составляющие каркас зерна это в сущности, монокристаллы алмаза, обладающие рядом уникальных физико-механических и теплофизических свойств. Насколько эти свойства реализуются в поликристалле, зависит от степени их взаимосвязи.

Технология производства двухслойных пластин, состоящих из верхнего рабочего слоя – сверхтвердого материала скрепленного с твердосплавной пластиной. Спеканием двухслойной пластины с алмазным рабочим слоем получают АТП, а с рабочим слоем из КНБ – КТП. Физико-механические свойства этих материалов приведены в табл. 2.14, 2.15





Рисунок 2.4 – Структура алмазного композиционного поликристаллического материала
Управление процессом формирования структуры поликристалла открывает возможности создавать в зависимости от областей применения материалы с требуемым сочетанием твердости, теплопроводности, прочности, электросопротивления. Поликристаллические сверхтвердые материалы (ПСТМ) по своим физико-механическим свойствам могут быть близкими к монокристаллам, а по некоторым и превосходят их. Так, большинство алмазных поликристаллов обладает изотропией (однородностью по различным направлениям) свойств, отличаются высокой износостойкостью и превосходят монокристаллы по трещиностойкости.

Классификация ПСТМ основана на способе их получения и особенностях структуры. Основные способы получения ПСТМ показаны в табл. 2.13.

Таблица 2.13 Способы получения ПСТМ


Груп

па

Способ получения

Пример

1

Переход графита в алмаз в присутствии растворителя

АСПК (ИФВД, Россия), АСБ (ИФВД, Россия)

Переход графитоподобного нитрида бора в кубический (КНБ) в присутствии растворителя

Композит 01 (НПО «Ильич», Россия), композит 02 (ИФТТиП, Беларусь)

Переход вюрцитного нитрида бора в кубический

Композит 10 (ИПМ, Украина)

2

Спекание порошков алмаза с активирующими добавками

Спекание порошков КНБ с активирующими добавками

АКТМ (ИСМ, Украина), СКМ, СВБН,карбонит. Киборит (ИСМ, Украина), ниборит

3

Спекание двухслойных пластин на твердосплавной подложке с алмазным рабочим слоем

АТП (ИСМ, Украина)

Спекание двухслойных пластин на твердосплавной подложке с рабочим слоем из КНБ

КТП (ИСМ, Украина)


При переходе графита в алмаз в присутствии растворителя получают искусственные алмазы марок АСПК-карбонадо и АСБ-баллас, структура которых идентична структуре природных алмазов таких же названий. При переходе графитоподобного нитрида бора в кубический (КНБ) в присутствии растворителя получают Композит 01 (Эльбор-Р) и Композит 02 (Белбол), а при переходе вюрцитного нитрида бора в кубический Композит 10 (Гексанит-Р). Спеканием порошков алмаза получают марки АКТМ , СКМ, СВБН и карбонит, а спеканием порошков КНБ – киборит и ниборит. Получает развитие
Таблица 2.14 Физико-механические свойства материалов на основе ПКА


Марка материала

Свойства ПКА

Твердость по Кнуппу, ГПа

Плотность, г/см3

Прочность, ГПа

Модуль Юнга, ГПа

Коэффициент трещиностойкости К, МПам10

Теплопроводность, Вт/(мК)

Термостойкость на воздухе, К

Коэффициент линейного расширения , 1/К10-4

на сжатие

на изгиб

АСБ

50-90

3,5-3,9

0,4-0,6

0,78

800-850




290-300

873-993

0,9-1,2

АСПК

80-100

3,5-4,0

0,4-0,8

0,5-1,0

900




-

1073-1173

0,9-1,2

СКМ

60-70

-

0,6-0,8

-

850




150-250

973-1073




АТП

50

3,74-3,77

0,3-0,4

0,80-0,85




10-13

-

950-1000




АКТМ

52

3,46

0,49

-

970

8

260

1473




СВБН

70-100

3,30-3,45

8,0-10,0

-







-

1073-1223




Продолжение таблицы 2.14

Карбонит

40-45

3,2-3,4

4,5-6,0

-







-

1473




Алмет

94-96 HRA

-

5,0-10,0

-

500-600




-

973




СВ

65-100

-

5,0-10,0

-

850




-

1573-1673






Таблица 2.15 Физико-механические свойства материалов на основе КНБ


Марка КНБ

Свойства ПКА

Твердость по Кнуппу, ГПа

Плотность, г/см3

Прочность, ГПа

Коэффициент трещиностойкости К, МПам10

Модуль Юнга, ГПа

Теплопроводность, Вт/(мК)

Термостойкость на воздухе, К

Размер зерен, мкм

на сжатие

на растяжение

на изгиб

Композит 01

32-38

3,31-3,45

2,25-3,15

0,43-0,49

0,70-0,98

3,7-4,2

680-720

60-80

1343-1473

5,20

Продолжение таблицы 2.15

Композит 02

38

3,42-3,50

4,00-6,50

-

0,68-0,70

10,8

720

85

1273-1423

0,2-5

Композит 10

30-38

3,34-3,50

2,00-4,00

0,26-0,39

1,20-1,50

7,1

650-780

30-60

1273-1373

0,1-0,3

Киборит

32-36

3,20-3,34

2,60-3,20

0,32-0,37

0,55-0,65

13,5

850-910

100

1573

3-14

КТП

25-33

-

-




-

14,5-16,1

-

80

-

-


За рубежом на основе технологии спекания алмазных зерен выпускают поликристаллические материалы Syndite 025, Megadiamond, Sumidia, Compax и др., а на основе спекания зерен КНБ Amborite, BZN, Sumiboron, Wurzin и др. размеры пластин СПТМ могут достигать 30-40 мм в диаметре, что открывает возможность получения инструмента с режущими кромками большой длины.
^ 2.5.2 Характеристика основных свойств и область применения поликристаллов синтетического алмаза (ПКА)
Монокристаллы природного алмаза при достижении критических нагрузок разрушаются на мелкие фрагменты. ПКА из-за своей поликристаллической структуры значительно лучше сопротивляются ударным нагрузкам, чем монокристаллы алмаза, и, несмотря на меньшую твердость по сравнению с природным алмазом, имеют более высокие значения пределов прочности на растяжение и на поперечный сдвиг. При этом ударная прочность поликристаллов алмаза зависит от размеров алмазных зерен и с их увеличением снижается.

Преимущества инструментальных ПКА в сравнении с монокристаллическими алмазами связаны с произвольной ориентацией кристаллов в рабочем слое режущих пластин, что обеспечивает высокую однородность по твердости и стойкости к истиранию во всех направлениях.

Во многих случаях наблюдаемая на практике большая износостойкость резцов из синтетических алмазов, по сравнению с резцами из природных алмазов, объясняется различием их структур. У природного алмаза появившиеся трещины на режущей кромке, развиваются и могут достигать значительных размеров. У синтетического алмаза, представляющего собой поликристалл, возникающие трещины тормозятся и останавливаются границами кристаллов, что и определяет их более высокую в среднем в 1,5-2,5 раза износостойкость.

Поликристаллы алмаза отличаются от монокристаллов более высокой термостойкостью. такие материалы как АКТМ и СВ не теряют своих режущих и прочностных свойств при нагреве до 1473К и выше, что позволяет производить их напайку на твердосплавные пластины.

Коэффициент трения ПКА с металлом несколько выше, чем у природных алмазов. Это объясняется наличием пор на поверхности поликристалла, вызванных выпадением частиц кристаллов, а также наличием частиц металлической фазы (после синтеза) или связующего. Однако величина коэффициента трения ПКА со многими металлами не превышает 0,2, что свидетельствует о превалировании в контакте внешнего трения. Это является особенностью контактных процессов алмаза с большинством металлов. Однако, с никель и железосодержащими материалами алмаз имеет химическое сродство. Поэтому при резании сталей на основе железа, на контактных поверхностях алмазного инструмента происходит интенсивное налипание обрабатываемого материала.

Углерод, из которого состоит алмаз, активно реагирует с этими материалами при нагреве. Это приводит к интенсивному изнашиванию алмазного инструмента и ограничивает области его применения. Накопленный опыт свидетельствует о том, что наиболее эффективное применение алмазного инструмента получают на чистовых и отделочных операциях при обработке деталей из цветных металлов и их сплавов, а так же из различных полимерных композиционных материалов. Инструмент может быть использован при точении прерывистых поверхностей и при фрезеровании, однако его стойкость будет ниже, чем при обработке без удара.

В табл. 2.16 приведены рекомендации по режимам резания инструментами из алмаза различных обрабатываемых материалов.
Таблица 2.15 Рекомендуемые режимы резания резцами из алмаза


Обрабатываемый материал

V, м/с

S, мм/об

t, мм

Алюминиевые литые сплавы

10,0-11,5

0,010-0,04

0,01-0,20

Алюминиево-магниевые сплавы

6,6-8,3

0,010-0,05

То же

Алюминиевые жаропрочные сплавы

4,1-6,6

0,020-0,04

0,05-0,10

Дуралюмин

8,3-11,5

0,021-0,04

0,03-0,15

Медь

6,0-8,3

0,010-0,04

0,01-0,40

Бронза оловянистая

4,1-6,6

0,040-0,07

0,08-0,20

Бронза алюминиево-железистая

11,5

0,020-0,04

0,03-0,06

Бронза свинцовистая

10,0-11,5

0,025-0,05

0,02-0,05

Латунь

8,3

0,020-0,06

0,03-0,06

Баббит

6,6-8,3

0,010-0,05

0,05-0,20

Монель

2,5-5,0

0,010-0,02

0,03-0,05

Титановые сплавы

1,6-5,0

0,020-0,05

0,03-0,06

Пластмассы

1,6-3,3

То же

0,05-0,15

Стеклотекстолит

10,0-11,5



0,03-0,05

Резина

5,0-6,6

0,010-0,04

0,02-0,06


Успешно применяются режущие пластины из ПКА при обработке полимерных композитных материалов. Использование режущих пластин с механическим креплением позволяет повысить стойкость в 15-20 раз по сравнению с инструментом из твердого сплава.

Еще одной из перспективных областей применения ПКА является обработка трудно поддающихся резанию и вызывающих быстрый износ инструмента таких материалов, как древесностружечные плиты, плиты средней плотности с высоким содержанием клея, с покрытиями на основе меламиновой смолы, декоративный бумажно-слоистый пластик, а также другие материалы, обладающие абразивным действием. Обработка таких материалов обычным инструментом неэкономична.

В настоящее время режущий инструмент, применяемый в деревообрабатывающей промышленности и промышленности по переработке пластмасс, оснащают поликристаллами алмаза. Такой инструмент имеет стойкость в 200-300 раз выше стойкости твердосплавных инструментов.

Геометрические параметры алмазного инструмента во многом определяются свойствами кристаллов природного алмаза. Кристаллы алмаза обладают высокой хрупкостью, поэтому режущие кромки инструментов должны обладать повышенной прочностью. С целью упрочнения режущей кромки угол заострения , алмазного инструмента должен быть максимально допустимым.

Передний угол от 0 до 15, задний угол от 2 до 6, радиус вершины rb от 0,2 до 1,0 мм для алмазных резцов выбирают от вида обрабатываемого материала.

Для обеспечения шероховатости обработанной поверхности до Ra 0,1, режущая кромка не должна иметь сколов, а передняя и задняя поверхность инструмента обработаны до шероховатости Ra 0,01-0,015. Радиус округления режущей кромки , должен достигать размеров менее 0,1 мкм.

В связи с повышенной чувствительностью инструментов из ПСТМ к вибрациям и ударным нагрузкам, к станкам, используемым для обработки режущих элементов из ПСТМ предъявляются повышенные требования в отношении точности, виброустойчивости и жесткости.
^ 2.5.3 Характеристика основных свойств и область применения ПСТМ на основе плотных модификаций нитрида бора BN
ПСТМ на основе плотных модификаций нитрида бора, незначительно уступая алмазу по твердости, отличаются высокой термостойкостью (до 1573К), стойкостью к циклическому воздействию высоких температур и, что особенно важно, слабым химическим взаимодействием с железом, являющимся основным компонентом большинства обрабатываемых материалов (стали, чугуны, наплавочные материалы).

Главным резервом повышения производительности обработки для инструмента на основе BN является скорость резания (табл. 2.17), которая может превышать скорость резания твердосплавным инструментом в 5 и более раз.

Таблица 2.17 Скорости резания различными инструментальными материалами


Обрабатываемый материал

Скорость резания, м/с для инструментального материала

ПСТМ

твердый сплав

Сталь НВ 150-250

1,66-3,33

2,10-5,00

HRC, 45-55

1,33-2,66

0,6-1,15

HRC, 60-70

1,00-2,00

0,15-0,50

Серый чугун НВ 120-240

6,66-16,66

1,66-3,33

Высокопрочный чугун НВ 160-330

5,00-13,33

0,83-1,66

Отбеленный и закаленный чугун HRC, 40-60

0,83-2,50

0,15-0,31


Из таблицы видно, что наибольшая эффективность применения инструментов на основе BN имеет место при обработке высокотвердых чугунов, сталей и сплавов.

Одной из возможностей повышения эффективности инструмента из ПСТМ на основе BN является использование смазочно-ожлаждающих технологических сред (СОТС). Для инструментов из BN наиболее эффективно использовать жидкие среды путем их распыления при скоростях резания до 1,5-1,7м/с.

Еще одной из эффективных областей использования инструмента оснащенного поликристаллами BN, является обработка наплавок, которыми упрочняют детали металлургического производства. Наплавленные материалы очень высокой твердости до HRC 60-62 получают путем электродугового или плазменного наплавления порошковыми проволоками или лентами.

Перспективы применения режущих инструментов из СТМ

В ближайшие годы мировой рынок инструмента из СТМ ожидает резкий подъем. Это объясняется прежде всего тем, что в различных областях техники все большее применение находят труднообрабатываемые материалы и принципиально новые схемы обработки.

Эффективность инструмента из СТМ наиболее полно проявляется в условиях автоматизированного производства, гибкой смены технологий механообработки.

При применении ПСТМ на оптимальных режимах резания на станках с ЧПУ, производительность обработки повышается в 1,5-3 раза по сравнению с твердосплавным инструментом, улучшается качество обработанных поверхностей, исключается необходимость последующей абразивной обработки.
^ 2.6 Инструментальные материалы с износостойким покрытием
В мировой практике металлообработки все большее применение находят инструментальные материалы с покрытиями. Тонкие «пленочные» покрытия, толщиной от 2 до 10 мкм, наносят на поверхность заточенного и доведенного инструмента из быстрорежущей стали, твердого сплава и режущей керамики, которые позволяют улучшить ряд служебных характеристик инструмента и значительно изменить условия его работы. Снижение сил и температур резания на 20-40%, позволяет повысить стойкость режущего инструмента в 2 и выше раз, или увеличить скорость резания от 20 до 60% и значительно улучшить шероховатость обработки.

К износостойкому покрытию для режущего инструмента предъявляется ряд требований:

1.Высокая микротвердость, в 1,5-2 раза превышающая твердость инструментального материала;

2.Высокая износостойкость (т.е. необходимо обладать сопротивлением к поверхностному усталостному разрушению);

3.Низкая склонность к адгезии (химическому взаимодействию) с обрабатываемым материалом;

4.Сохранение основных свойств, при высоких температурах (быть устойчивым против коррозии и окисления);

5.Минимальная способность к диффузионному растворению в обрабатываемом материале;

6.Высокая прочность сцепления с инструментальным материалом.

Ряд требований носит противоречивый характер, например низкую адгезию к обрабатываемому материалу и высокую прочность сцепления с инструментальным материалом. При резании сталей, в основе которых содержится железо, инструментом из быстрорежущей стали в основе которой также содержится железо целесообразнее всего наносить многослойные или композиционные покрытия. У многослойных покрытий нижний слой, прилегающий к инструментальному материалу, обеспечивает прочное сцепление с ним, а верхний - минимальное схватывание с обрабатываемым материалом. Промежуточные слои могут выполнять роль связующих слоев, слоев с тепловыми барьерами или слоев препятствующих продвижению трещин при разрушении покрытий. Композиционные покрытия – это покрытия изменяющие свой состав и свойства по толщине: например для быстрорежущего инструмента состав покрытия может постепенно переходить от нитрида циркония (ZrN), обеспечивающего наилучшее сцепление с инструментальной подложкой, к нитриду ниобия (NbN), дающего аномально низкое схватывание с железосодержащими обрабатываемыми материалами.

В качестве материалов для покрытий используют карбиды, натриды карбонитриды, бориды и силициды тугоплавких металлов IV – VI групп периодической системы элементов (IV – титан, цирконий, гафний; V – ванадий, ниобий, тантал; VI – хром, молибден, вольфрам). Применяется также оксид алюминия Al2O3 и алмазоподобные покрытия на основе углерода.

Наибольшее распространение для нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент получили методы химического (газофазного) осаждения покрытий (ХОП) или методы CVD (Chemical Vapour Deposition), термодиффузионное насыщение поверхности (ТДН) и физическое осаждение покрытий в вакууме (ФОП) или PVD (Physical Vapour Deposition).

Методы химического осаждения покрытий (CVD). В основе методов CVD лежат реакции в парогазовой среде, окружающей инструмент, в результате которых образуются покрытия. Исходными продуктами служат газообразные галогениды, при взаимодействии которых с другими составляющими смесей (водородом, аммиаком, окисью углерода и т.д.) образуется покрытие. Разложение галогенида происходит за счет термической химической реакции при Т=1000…1100С. Уравнения химических реакций процессов ХОП с образованием карбидов, нитридов и оксидов в общем виде имеют следующий вид:

- реакция образования карбидов

МеГ + Н2 + CnHm^ MeC + HГ + Н2;

- реакция образования нитридов

МеГ + Н2 + N2MeN + HГ + Н2;

  • реакция образования оксидов

МеГ + Н2 + CO2MeOm + HГ + CO;

- реакция образования боридов

МеГ + Н2 + ВГ  MenBm ,

где Ме – металл; Г – галоген; m, n – целые числа.

Так как реакция осаждения покрытий происходит при высоких температурах (Т1000С), то этим методом покрытие может наноситься только на инструменты из твердого сплава и режущей керамики.

Наибольшее распространение в качестве материала покрытий на твердых сплавах получили карбиды, нитриды, карбонитриды титана и оксид алюминия. Свойства покрытий сильно зависят от параметров процесса газофазового осаждения. Наиболее существенную роль играет температура на границе раздела конденсата и инструментального материала. От температуры зависят структура покрытия, прочность его адгезии с твердым сплавом, причем последнее определяется также возможностью диффузионного взаимодействия пары «покрытие – твердый сплав». Взаимная диффузия повышает прочность сцепления покрытия и твердого сплава.

Практическая реализация метода (CVD) нашла широкое применение в технологии ГТ (газофазового титанирования), где на сменные многогранные пластины (СМП) из твердого сплава наносятся износостойкие покрытия (TiC, TiCN, TiC-TiCN-TiN и др.).

Области применения твердосплавных пластин с износостойким покрытием приведены в табл. 2.18.


Таблица 2.18 Марки и области применения твердосплавных пластин с покрытием

Твердый сплав

Покрытие

Область применения

Т5К10

TiC-TiCN-TiN

Р20-Р30

ТТ7К12

TiC-TiCN-TiN

Р15-Р40

ВК6

TiC-TiCN-TiN

К10-К30

Группа ТТК

TiC-Al2O3

Р01-Р25, М05-М20, К01-К30


Методы термодиффузионного насыщения (ТДН). При производстве твердосплавных пластин с покрытием используют также методы термодиффузионного насыщения (ТДН), к которым относится метод ДТ (диффузионное титанирование).

Метод ДТ основан на термообработке твердосплавных пластин в специальной порошковой засыпке из материалов, содержащих титан, при температурах, достаточных для реализации диффузионных реакций в среде водорода. Метод не требует специального оборудования, так как осуществляется в стандартных водородных электропечах непрерывного действия, исключается необходимость точной дозировки и очистки газа восстановителя (водорода).. Производительность процесса ДТ очень высокая и составляет до 500 пластинок в час. Скорость роста покрытия до 10-15 мкм/ч. Вместе с тем методы ТДН, основанные на использовании порошковой технологии, имеют заметные недостатки, связанные с налипанием порошковой смеси на рабочие поверхности инструмента, необходимостью герметизации контейнера или использования защитных газов, одноразовым использованием смеси. В настоящее время промышленностью выпускаются пластины ВК6-TiC ДТ, рекомендуемые для обработки чугуна в области применения К10-К20.

Методы физического осаждения покрытий (PVD). Методы PVD основаны на физическом испарении или распылении вещества в вакуумное пространство камеры с последующей подачей реакционного газа (N2, O2, CN4 и др.). В результате плазмохимической реакции ионизированного потока металлической плазмы и реакционного газа на поверхности инструмента конденсируется покрытие.

Среди методов наибольшее распространение получили: конденсация вещества из плазменной фазы в вакууме с ионной бомбардировкой (метод КИБ), магнетронное распыление (метод МИР) и ионное плакирование.

Широкие возможности варьирования температурой от 20-1000С в зонах нанесения покрытий позволяет использовать методы PVD в качестве универсальных для нанесения покрытий на режущий инструмент из быстрорежущей стали и твердого сплава. Методы PVD универсальны также и с точки зрения возможности нанесения гаммы монослойных, многослойных и композиционных покрытий.

Применение методов PVD для получения покрытий на режущем инструменте существенно расширяет его технологические возможности за счет более эффективного, чем для методов CVD, управления процессами получения покрытий и их свойствами.

Опыт эксплуатации инструментов с покрытием позволяет определять условия при которых достигаются наибольшее повышение их работоспособности.

Инструменты из быстрорежущей стали с покрытиями показывают значительное повышение стойкости при различных видах обработки, углеродистых, конструкционных и низколегированных сталей, а также серых чугунов низкой и средней твердости. При обработке титановых и жаропрочных сплавов на основе никеля, высоколегированных и высокопрочных сплавов, эффективность от применения инструментов с покрытием существенно ниже, а в ряде случаев стойкость снижается.

При обработке материалов, где получено повышение стойкости инструмента, износостойкие покрытия позволяют на 20-30% увеличить скорость резания. Наибольший эффект применения инструментов достигается при резании с малыми значениями толщины среза а0,05 мм, и средними толщинами а=0,1…0,25 мм. В первом случае за счет повышения износостойкости задней поверхности инструмента, а во втором случае за счет торможения роста лунки износа на передней поверхности. При толщинах среза а=0,05…0,1 мм, а также а0,3 мм покрытие интенсивно разрушается, в первом случае из-за высоких нагрузок на покрытие со стороны задней поверхности, а во втором со стороны передней поверхности. Эти рекомендации необходимо учитывать при назначении режимов резания.

Твердосплавные пластины с покрытиями из карбида и нитридов титана эффективны для большинства наиболее распространенных видов обработки резанием конструкционных сталей и серых чугунов, особенно для точения, а также чистового и получистового фрезерования с умеренными подачами.

При тяжелых условиях резания, когда наблюдаются выкрашивания и сколы и на сплавах без покрытий, эффективность пластин с износостойкими покрытиями снижается.

Результаты испытания пластин с различными покрытиями при обработке труднообрабатываемых материалов различных групп обрабатываемости показывают, что, чем труднее обрабатывается материал резанием (чем выше группа обрабатываемости), тем меньше проявляется эффект покрытия.

Необходимо отметить, что несмотря на более высокую стоимость инструментов с покрытием, затраты потребителя на обработку единицы продукции по сравнению с аналогичными затратами при применении непокрытых инструментов ниже благодаря повышению либо стойкости инструмента, либо скорости резания и производительности обработки.

В промышленно развитых странах выпуск СМП с износостойкими покрытиями составляет 60-90% от общего выпуска твердосплавных пластин, и около 70% всех типов инструментов из быстрорежущей стали.

Контрольные вопросы по теме 2
1. Какие основные требования предъявляются к инструментальным материалам?

2. Перечислить основные группы инструментальных материалов.

3. Какова теплостойкость различных групп инструментальных материалов?

4. Каковы физико-механические свойства, состав и области применения углеродистых и легированных инструментальных сталей?

5. Назовите химический состав, физико-механические свойства и области применения быстрорежущих сталей.

6. На какие группы по химическому составу делятся твердые сплавы?

7. Назовите области рационального использования каждой группы твердых сплавов?

8. Назовите преимущества и недостатки режущей керамики и области их рационального применения.

9. По каким характеристикам отличаются естественные и искусственные сверхтвердые материалы на основе алмаза?

10. По каким свойствам кубический нитрид бора превосходит алмаз?

11. Какие инструментальные материалы предпочтительно выбирать при обработке сталей? чугунов? цветных металлов? при черновой обработке? при чистовой обработке?

12. Какие инструментальные материалы могут использоваться при обработке высокопрочных материалов? в закаленном состоянии?

13. Назовите области применения крупнозернистых и мелкозернистых твердых сплавов.

14. Как изменяются износостойкость и прочность твердого сплава в зависимости от увеличения индекса подгруппы применения по ИСО513?

15. Какие требования предъявляются к свойствам износостойких покрытий для режущего инструмента?

16. Какими методами наносят износостойкие покрытия на режущий инструмент?

17. Назовите области эффективного и малоэффективного применения покрытий на режущем инструменте.
Литература к теме 2
1. Новые инструментальные материалы и области их применения. Учебн. пособие / В.В.Коломиец, - К.: УМК ВО, 1990. – 64 с.

2. ГОСТ 19265-73 Прутки и полосы из быстрорежущей стали. технические условия.

3. Васин С.А., Верещака А.С., Кушнир В.С. Резание металлов: Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании: Учебн. для техн. вузов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001. – 448 с.

4. Верещака А.С., Болотников Г.В. Современные тенденции совершенствования и рационального применения твердых сплавов для режущих инструментов (Обзорная информация), ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ. – М. – 1991. – 51с.

5. Металлообрабатывающий твердосплавный инструмент: Справочник В.С. Самойлов, Э.Ф.Эйхманс, В.А.Фальковский и др. – М.: Машиностроение, 1988. – 368 с.

6. Маргулес А.У. Резание металлов керметами. – М.Машиностроение, 1980. – 160 с.

7. Инструменты из сверхтвердых материалов / Под ред. Н.В.Новикова. – Киев: ИСМ НАНУ, 2001. – 528 с.

8. Сменные пластины и инструмент САНДВИК-МКТС, технические материалы. – М. – 2000. – 169 с.

9. Ляпунов А.И. и др. Использование порошковых быстрорежущих сталей в инструментальном производстве: Обзор – М. НИИМаш, 1983. – 39 с.

10. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. – М.: Машиностроение, 1993. – 336 с.

11. Внуков Ю.Н. и др. Нанесение покрытий на быстрорежущий инструмент. – Киев: Техника, 1992. – 196 с.
1   2



Скачать файл (408 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации